ООО «Полимагнит»
является эксклюзивным дистрибьютором компании Arnold Powder Cores (Micrometals Group)
(USA) в России и странах СНГ. Сердечники Arnold широко используются в электронной промышленности, в том числе и в источниках вторичного питания, инверторах, конверторах. Выпускается шесть видов магнитомягких порошковых сердечников
- MPP (Молипермаллой), HI-FLUX™, SMSS™- Sendust, FLUXSAN™, Optialloy и сердечники из распыленного железа (Iron Powder).
1. Super-MSS™ Sendust
: порошковый материал, приготовленный из сплава железа, кремния и алюминия.
Доступные магнитные проницаемости: 14, 26, 40, 60, 75, 90 и 125.
Характеристики:
- низкая магнитострикция и, как следствие, низкий уровень шумов
- низкие потери
- сравнительно низкая стоимость
- рабочие частоты до 1 МГц
Сердечники из Sendust являются отличным выбором для энергонакапливающих и фильтрующих индуктивностей в переключаемых источниках питания, низкочастотных выходных АС фильтров для звуковых усилителей и UPS, катушек индуктивности мощных резонансных контуров и дросселей EMI фильтров.
Для переключаемых источников питания, где потери не так критичны, Sendust может заменить МРР. Характеристики подмагничивания постоянным током просто отличные по сравнению с порошковым железом аналогичной проницаемости и размеров.
Из-за низкой магнитострикции, сердечники, изготовленные из SMSS™ - материала, производят очень низкие уровни механического шума при прикладывании возбуждения, что делает применение данного типа сердечников весьма желательным в EMI дросселях, в которых отфильтровывается АС.
2. MPP Molypermalloy
: порошковый материал, приготовленный из сплава железа, никеля и молибдена.
Доступные магнитные проницаемости: 14, 26, 60, 125, 147, 160, 173, 205 и 250.
Характеристики:
- самая низкая магнитострикция и, как следствие, самый низкий уровень шумов
- самые низкие удельные потери
- рабочие частоты до 200 кГц
- отсутствие температурного старения
Это наилучший по эффективности материал для изготовления сердечников, используемых в фильтрах звуковой частоты, колебательных контурах и дросселях, в источниках питания, в катушках индуктивности, в резонансных контурах с фиксированной настройкой, высокодобротных фильтрах, пупиновских катушках, RFI фильтрах, трансформаторах тока в диапазоне от 10 кГц до 300 МГц.
3. FluxSan™
Доступные магнитные проницаемости: 14, 26, 40, 60, 75 и 90.
Характеристики:
- самая высокая индуктивность насыщения
- относительно низкие удельные потери на частотах до 200 кГц
- отсутствие температурного старения
- возможность изготовления сердечника тороидальной, Е- образной и прямоугольной формы
Материал является более дешевой альтернативой материалу Hi-Flux, при этом характеризуется более низкими потерями, чем Hi-Flux.
4. Hi-Flux™
: порошковый материал, приготовленный из сплава железа и кремния.
Доступные магнитные проницаемости: 14, 26, 60, 125, 147 и 160.
Характеристики:
- отсутствие температурного старения
- возможность изготовления сердечника тороидальной формы с размерами до 154 мм
Высокая плотность потока насыщения (до 15000 Гс) HF сердечников делает их идеальными для производства мощных источников питания, катушек индуктивностей импульсных стабилизаторов, фильтров линейных шумов, фильтров переключаемых источников питания, проходных фильтров помех переменного тока, сетевых фильтров, EMI/RTF фильтров, дроссельных фильтров батарей высокомощных преобразователей низкого напряжения. Также эти сердечники хороши для импульсных трансформаторов и трансформаторов строчной развертки.
5. Optilloy™
: порошковый материал, приготовленный из сложного сплава.
Доступные магнитные проницаемости: 14, 26, 40, 60, 75, 90 и 125.
Характеристики:
- высокая индуктивность насыщения
- приемлемые удельные потери на частотах до 200 кГц
- отсутствие температурного старения
- возможность изготовления сердечника тороидальной формы с размерами до 154 мм
6. Iron powder
: материал на основе распыленного порошкового железа.
Сердечники из порошкового железа производятся из 99+% чистого железа, имеющего форму очень маленьких частиц. Поскольку частицы разделены воздушным промежутком (так же, как и изолирующим и связующим материалами), в системе создается распределенный воздушный зазор. Хотя у железа и относительно высокая проницаемость, из-за использования сырых материалов, готовый сердечник имеет максимальную проницаемость в районе 90.
По проницаемости сердечники из порошкового железа можно разделить на три категории: высокая, средняя и низкая.
Категория высокой проницаемости от 60 до 90 используется в основном в EMI фильтрах и фильтрах накопления энергии. Эффективный частотный диапазон - до 75 кГц.
Сердечники из порошкового железа со средней проницаемостью от 20 до 50 используются в RF трансформаторах, чистых индуктивностях и индуктивностях накопления энергии. Эти материалы используются для частот от 50 кГц до 2 МГц. Они могут выдерживать более высокие плотности потока и уровни мощности без насыщения, чем их ферритовые двойники. Семейство порошкового железа становится более привлекательным для производителей переключаемых источников питания по мере того, как номинальные рабочие частоты попадают в диапазон от 250 кГц до 1 МГц.
Сердечники из порошкового железа с низкой проницаемостью используются почти исключительно в RF диапазоне. Обычное применение - RF трансформаторы и чистые индуктивности в диапазоне от 2 МГц о 500 МГц. В некоторых радарах используются сердечники из порошкового железа на частотах более 2 ГГц. Хорошие характеристики потока вместе с низкими потерями и хорошей температурной стабильностью делают этот тип сердечников наиболее используемым для применения в промышленности связи.
Многосторонность технологии прессования порошкового железа допускает множество вариантов форм и размеров. Ограничения связаны только с сегодняшней технологией прессования порошков металлов. Большинство материалов из порошкового железа могут быть легко отшлифовано и обработано для придания нужной формы.
Сердечники из распылённого железа в импульсных
источниках питания
(Автор: Джим Кокс, перевод: Терейковский А.С.)
Введение: в этой статье описываются магнитные свойства различных марок распылённого железа
при использовании в качестве материала для сердечников индуктивных узлов импульсных источников
питания. Ниже рассмотрены различные аспекты применения сердечников из распылённого железа в
сглаживающих дросселях, дифференциальных сетевых фильтрах, корректорах коэффициента мощности и
высокочастотных преобразователях резонансного типа.
Сердечники из распылённого железа являются одними из наиболее часто используемых при
создании индуктивных элементов современных импульсных источников питания. Среди широко
распространённых материалов с высокой индукцией насыщения, распылённое железо обладает
наименьшей стоимостью. Магнитные свойства распылённого железа наилучшим образом подходят для
различных типов дросселей, однако не являются оптимальными при использовании в трансформаторах.
Сердечники из распылённого железа изготавливаются из мельчайших частиц порошка железа
высокой чистоты. Подготовленный порошок подвергается воздействию очень высокого давления для
придания сердечнику необходимой формы и прочности. При этом создаётся магнитная структура с
распределённым воздушным зазором. Присущая железу высокая индукция насыщения в сочетании с
распределённым зазором позволяет получить сердечник с невысокой (способностью накопления значительной энергии.
Существующие технологии позволяют получать из распылённого железа сердечники различных
форм и размеров. Одна пресс-форма позволяет получать несколько отличающихся по толщине
сердечников в зависимости от развиваемого прессом давления. Заказная пресс-форма относительно
недорога; обычно она стоит около $1000 за каждый дюйм главного линейного размера.
Распылённое железо допускает достаточно жёсткие условия эксплуатации. Оно имеет достаточно
высокую температурную стабильность и выдерживает значительные механические нагрузки без заметных
изменений свойств.
Общие свойства различных марок (смесей) распылённого железа приведены в Таблице1:
Общие свойства материалов
Плотность
Начальная
Номер
Относительная
Цветная маркировка
3
проницаемость
смеси
стоимость
(г/см)
-2
10
5,0
2,7
Красный/нет цвета
-8
35
6,5
5,0
Жёлтый/красный
-14
14
5,2
3,6
Чёрный/красный
-18
55
6,6
3,4
Салатный/красный
-19
55
6,8
1,7
Красный/салатный
-26
75
7,0
1,0
жёлтый/белый
*
-30
22
6,0
1,4
салатный/серый
*
-34
33
6,2
1,5
Серый/голубой
*
-35
33
6,3
1,4
Жёлтый/серый
-38
85
7,1
1,1
Серый/чёрный
-40
60
6,9
1,0
Салатный/жёлтый
-45
100
7,2
2,6
Чёрный/чёрный
-52
75
7,0
1,4
Салатный/голубой
* Смесь –30 была разработана как улучшенная замена смеси –28. Аналогично, смеси –34 и –35 имеют
меньшие потери и стоимость, чем предшествующая –33. Смеси –28 и –33 не представлены в этой
таблице, но по-прежнему производятся
Таблица 1. Общие свойства различных марок распылённого железа
Относительная стоимость показывает сравнительную цену продажи колец диаметром 1 дюйм.
Кольца меньших диаметров имеют менее значительную разницу в цене.
Типичные применения различных смесей представлены в Таблице 2:
Типичное применение
Балластные дроссели ламп
x
x
дневного света
Дроссели фильтров
x
x
дифференциальных ЭМ помех
Дроссели с подмагничиванием:
x
x
x
x
x
Дроссели с подмагничиванием:
x
x
x
x
x
x
x
≥ 50 кГц, большое значение Et/N
Корректоры коэффициента
x
x
x
x
мощности:
Корректоры коэффициента
x
x
x
x
x
x
x
x
мощности: ≥ 50 кГц
Дроссели в резонансных
x
x
преобразователях: ≥ 50 кГц
Таблица 2. Типичные области применения различных марок распылённого железа
Общие положения. Количество накапливаемой дросселем энергии (в микроджоулях) вычисляется
как половина произведения индуктивности (в микрогенри) на квадрат тока (в Амперах). Эта энергия
пропорциональна квадрату действующего значения плотности магнитного потока, делённого на
2
эффективную проницаемость сердечника в данных условиях (B /µэфф). Для материалов, имеющих высокую
начальную проницаемость (ферриты), введение воздушного зазора позволяет снизить эффективную
проницаемость и увеличить количество накапливаемой в сердечнике энергии за счёт дополнительной
энергии, накапливаемой в зазоре.
При разработке накопительных дросселей ограничения наступают вследствие насыщения
сердечника или из-за перегрева, вызванного совокупными потерями в сердечнике и обмотке. В случае
использования распылённого железа ограничения, определяемые допустимым перегревом, сказываются
задолго до магнитного насыщения сердечника, благодаря сравнительно низкой (умеренным потерям и «мягкой» характеристике насыщения.
Зависимости изменения проницаемости от напряжённости постоянного магнитного поля для
различных смесей показаны на Рисунке 1. Существуют формулы, описывающие эти кривые. Для смесей с
высокой начальной проницаемостью, таких, как –26 и –52, допустимой считается эксплуатация при
снижении проницаемости на 50%.
Рисунок 1. Зависимость степени насыщения от напряжённости постоянного магнитного поля
На Рисунке 2 показано семейство кривых, иллюстрирующих соотношение между ампер-витками и
количеством накапливаемой энергии колец из смеси –52, при условии, что почти весь ток, протекающий
через обмотку, является постоянным. Это означает, что переменная составляющая тока достаточно мала и
не вызывает заметных потерь в сердечнике. Как видно из графиков, чем больше произведение I*N (ампервитки), тем больше энергии накапливает сердечник.
Рисунок 2. Зависимость числа ампер-витков от накапливаемой сердечником энергии
Например, при воздействии150 ампер-витков кольцо Т68-52 накапливает 260 микроджоулей.
Соответственно, при 600 ампер-витках накапливаемая энергия составляет 1400 мкДж. Эти результаты
2
определяются начальной индуктивностью AL (нГн/вит) и характеристикой насыщения материала.
Как было замечено выше, в большинстве случаев допустимый температурный перегрев
ограничивает количество накапливаемой в сердечнике энергии ещё до достижения магнитного насыщения
материала. В представленной на Рисунке 3 таблице приведены максимальные значения накапливаемой
энергии при заданном превышении температуры для двух способов намотки. Из этой таблицы видно, что
при однослойной намотке (80% внутреннего диаметра кольца остаётся незаполненным) кольцо T68-52
может накопить 245 мкДж при разогреве 40 C°. Следовательно, в приведённом выше примере 150 ампервитков для накопления 260 мкДж приведут к разогреву немногим более 40 C°. При заполнении внутреннего
диаметра на 55% накопленная в сердечнике энергия 260 мкДж вызовет повышение температуры менее 25
C°. Такая разница в значениях температуры определяется диаметром используемых проводов.
Информация, приведенная в таблице, получена экспериментально при длительной работе
дросселя без воздушного обдува. При этих условиях, как видно из вышеприведенного примера, для
накопления 1400 мкДж, кольцо T68-52 «потребует» 600 ампер-витков, что вызовет недопустимый перегрев
из-за повышенных потерь в обмотке.
Потери в обмотке: обычный метод выбора диаметра провода, основанный на способности провода
определённого сечения пропустить через себя ток определённой силы, даёт некорректный результат.
Повышение температуры дросселя, вызванное потерями в обмотке, напрямую связано с размерами
кольца, диаметром провода и способом намотки. Например, температура дросселя постоянного тока,
имеющего незначительный скин-эффект, намотанного в один слой проводом 0.404 мм для тока 1 А,
повысится всего на 10 C°. Тот же метод порекомендует провод 2.05 мм для тока 25А, что повлечёт
повышение температуры на 40 C°.
При намотке в один слой, повышение температуры зависит от плотности тока в обмотке и не
зависит от размеров кольца. С учётом этой особенности была получена Таблица 3, в которой определены
значения тока и диаметры проводов для допустимого повышения температуры на 10, 25 и 40 C°.
Например, как следует из таблицы, для тока 3А при однослойной обмотке и допустимом нагреве на
10 C°, следует использовать провод диаметром 0,912 мм. Если допустимый нагрев из-за потерь в меди не
более 25 C°, этот же диаметр может пропустить ток до 5,26 А. При повышении температуры на 40 C° ток
может достигать 6,81 А.
Таблица 3. Зависимость числа витков от диаметра провода при однослойной намотке
Подобная таблица разработана для «полной» намотки (незаполненными остаются 45% внутреннего
диаметра кольца). При постоянном коэффициенте заполнения медью становится возможным определить
значения ампер-витков как функцию допустимого повышения температуры для различных типоразмеров
колец. В Таблице 4 приведены максимальные допустимые значения ампер-витков при заданном нагреве
10, 25 и 40 C° соответственно, возникающем из-за потерь в обмотке, для некоторых типоразмеров колец и
Е-сердечников.
Таблица 4. Зависимость числа витков от диаметра провода при многослойной намотке
В обеих Таблицах приведены значения удельного сопротивления (мОм/см) проводов различного
диаметра, а также средняя длина витка для колец различного диаметра. Благодаря этому сопротивление
обмотки может быть определено простым перемножением удельного сопротивления провода на среднюю
Длину витка и на количество витков. Также приведены значения эффективной площади поверхности (см)
типичных моточных изделий на основе колец разного диаметра. Эта информация полезна при определении
температуры нагрева как функции рассеиваемой мощности. При получении данных обеих Таблиц
использовалась следующая формула:
⎡ Суммарная рассеиваемая мощность, мВт ⎤
Нагрев (C°) = ⎢
⎥
Площадь поверхности, см 2
⎦
⎣
Во многих устройствах переменная составляющая тока, протекающего через дроссель, достаточно
мала, чтобы вызвать заметные потери, однако в случаях, когда пульсации имеют высокую частоту
повторения, при разработке дросселей корректоров коэффициента мощности и высоковольтных устройств,
потери должны приниматься во внимание. Конструкции дросселей сетевых (50/60 Гц) фильтров
дифференциальных помех и преобразователей напряжения резонансного типа в значительной степени
определяются уровнем потерь в сердечнике.
Потери в сердечнике: возникают вследствие переменного магнитного поля в сердечнике. Потери для
конкретного материала зависят от рабочей частоты, размаха магнитной индукции (∆B), и пропорциональны
площади петли гистерезиса. Они имеют три составляющих: потери на перемагничивание (гистерезис),
вихревые токи и остаточные потери.
Распылённое железо имеет более высокие потери по сравнению с другими материалами с высокой
индукцией насыщения (Мо-пермаллой, альсифер), что может ограничить его применение при относительно
большом токе пульсаций на высоких частотах. Следовательно, важно уметь правильно определять
реальные потери в сердечнике.
Семейство кривых, характеризующих потери для материала –52, показаны на Рисунке 3, в виде
3
зависимости мощности рассеяния (мВт/см) от амплитуды размаха магнитной индукции (гаусс).
Информация получена экспериментальным путём при помощи ваттметра фирмы Clarke-Hesse.
Рисунок 3. Зависимость потерь материала –52 от амплитудной индукции переменного поля
Для описания амплитуды магнитной индукции используется следующая формула:
E RMS *10 8
Bpk =
, где:
4,44 * A * N * f
Bpk = амплитудное значение магнитной индукции (гаусс),
ERMS = действующее значение напряжения (Вольт),
2
A = площадь эффективного сечения сердечника (см),
N = число витков,
f = частота (Герц).
Эта формула применима для вычисления амплитудного значения индукции, из которого
определяется уровень потерь по Рисунку 3, при синусоидальной форме тока в обмотке. При этом в
сердечнике возникает магнитная индукция, размах которой (∆B) вдвое превышает полученное по формуле
амплитудное значение (Bpk):
Подмагничивание сердечника постоянным током сдвигает частную петлю гистерезиса, но не
вызывает заметных дополнительных потерь в сердечнике. Потери зависят только от размаха переменной
магнитной индукции (∆B):
На Рисунке 4 изображена типичная форма прямоугольного сигнала, воздействующего на дроссель
в импульсном источнике питания:
Рисунок 4. Типичная форма напряжения на дросселе в импульсном преобразователе
Так как произведения E * t (вольт-секунд) во время включённого и выключенного полупериодов
должны быть равны при неизменной скважности, размах индукции ∆B для прямоугольного сигнала (не
обязательно симметричного) описывается следующей формулой в системе СГС:
E pk * t *10 8
A*N
∆B = размах индукции (гаусс),
2
N = число витков
В однополярных применениях, например, обратноходовых источниках питания, приведенные выше
формулы следует использовать для проверки превышения допустимого для сердечника размаха индукции.
В связи с тем, что на практике принято описание потерь сердечника как функции амплитудного
значения магнитной индукции при симметричной форме сигнала, приведенные кривые потерь
подразумевают амплитудное значение индукции Bpk , равное половине размаха ∆B. Частота пульсаций,
соответственно, равна 1/tp (Рисунок 4).
В большинстве случаев для расчёта амплитудного значения индукции в дросселе с постоянным
током подмагничивания используются следующие формулы:
Bpk =
E pk * t * 10 8
2*A* N
Bpk = ∆B/2 = амплитуда переменной индукции (гаусс),
Epk = амплитуда напряжения на дросселе (Вольт) за время t,
t = продолжительность замкнутого состояния ключа (сек),
2
A = эффективная площадь сечения сердечника (см),
N = число витков
Для расчётов дросселей со связанными обмотками используются те же формулы при допущении,
что дроссель имеет одну обмотку, так как все обмотки работают согласованно и значения вольт-секунд на
виток для них одинаковы.
В некоторых применениях, например, корректорах коэффициента мощности, форма сигнала не
является симметричной, так как соотношение времени включённого и выключенного состояния ключа
непрерывно меняется в течение периода основной частоты (50 или 60 Гц). В этом случае потери в
сердечнике определяются как усреднённые во времени потери от каждого воздействующего импульса.
Возбуждаемая магнитная индукция пропорциональна произведению E * t, в то время как потери в
сердечнике приблизительно пропорциональны квадрату индукции. Для оценки потерь на высоких частотах
в подобных устройствах рекомендуется использовать предыдущую формулу, в которую подставляется
усреднённое действующее значение напряжения за период рабочей частоты корректора (1/tp).
Помимо рабочей частоты, основная частота (50 или 60 Гц) также вызывает потери в сердечнике,
которые следует учитывать при определении совокупных потерь.
Так как теплоотдача кольца пропорциональна площади поверхности, т.е. находится в квадратичной
зависимости от линейных размеров, а выделение тепла пропорционально объёму (кубическая
зависимость), следовательно, кольца меньших размеров лучше рассеивают тепло по сравнению с более
крупными. Ниже приведена Таблица 5, иллюстрирующая зависимость рассеиваемой мощности от
допустимого нагрева для разных типоразмеров колец. Кольцо Т30 имеет наружный диаметр 0.30 дюйма;
кольцо Т400 соответственно 4 дюйма:
T30
T50
T80
T94
T130
T200
T400
400
307
212
160
117
87
43
1148
874
602
454
331
260
130
2026
1535
1056
802
582
436
228
Таблица 5. Рассеиваемая мощность (мВт/см) при допустимом нагреве
Дроссели с постоянным подмагничиванием: поскольку постоянный ток в обмотке не вызывает потерь в
сердечнике, в большинстве случаев основными критериями, определяющими работу дросселей с
постоянным током подмагничивания при малых напряжениях и частотах до 50 кГц, становятся насыщение
сердечника и потери в обмотке. Приведенные на Рисунке 5 кривые получены из потерь в обмотке и
характеристик насыщения материала постоянным током с уровнем пульсаций до 1%, при котором
влиянием переменной составляющей можно пренебречь.
На Рисунке 5 изображены два семейства кривых. В верхней части приведены зависимости
накапливаемой энергии как функции произведения ампер-витков для материала –52. Графики в нижней
части показывают зависимость накапливаемой энергии от степени насыщения (степень насыщения = 100%
- %от начальной проницаемости).
Рисунок 5. Соотношения ампер-витков, накапливаемой энергии и степени насыщения для
материала -52
Понятие «степень насыщения» зачастую вызывает вопросы. Например, если проницаемость
сердечника составляет 90% от начальной (индуктивность дросселя равна 90% от минимального значения
Без нагрузки), то сердечник насыщен на 10%. Аналогично, проницаемость насыщенного на 30% сердечника
составит 70% от начальной величины.
Использование обоих семейств кривых позволит без труда определить требуемое количество
витков для заданного объёма накапливаемой энергии и изменение индуктивности дросселя, возникающее
как следствие изменения рабочего тока.
Воспользуемся этими графиками для определения параметров дросселя, имеющего индуктивность
30 мкГн при токе подмагничивания 10А. При этих условиях накапливаемая дросселем энергия составит
1500 мкДж. Из таблицы в верхней части Рисунка 5 следует, что кольцо Т106 способно
